Random Vibration Analysis of Urban Underground Tunnels Under Vertical Earthquake Excitations Based on Mass–Damper–Spring Model

In this paper, the verticalseismic effects on tunnels are studied based on a classic mass–damper–spring model. An analyticaldiscrete modelof urban underground tunnels subjected to verticalearthquake excitations is proposed by considering the first verticalvibration mode. Taking a light railproject in Tianjin as an example, this study uses the proposed discrete modelto analyze the displacements of tunneland soilunder verticalearthquake excitations. The soildisplacement responses at different tunnellocations are analyzed with linear random vibration theory.The computationalcost is greatly reduced using the proposed model. It can be seen that different from the case of horizontalearthquakes, the displacement responses under verticalearthquake excitations keep growing after seismic acceleration reaches its peak for a short duration, and then,they begin to decay. The soils at different positions around the tunnels have large relative displacement under verticalearthquake excitations. Moreover, a finite-element modelis also established for displacement responses using ABAQUS.The comparison with the results of the finite-element modelshows that the results of the proposed discrete modelare available.

Bayesian spatial modeling to incorporate unmeasured information at road segment levels with the INLA approach:A methodological advancement of estimating crash modification factors

Estimating safety effectiveness of roadway improvements and countermeasures,using cross-sectional models,generally requires large amounts of data such as road geometric and traffic-related characteristics at road segment levels.These models do not consider all confounding crash contributory factors such as driving culture and environmental conditions at the segment level due to a lack of readily available data.This may result in inaccurate models representing actual conditions at road segment levels,followed by erroneous estimations of safety effectiveness.To minimize the effect of not including such variables,this study develops a new methodology to estimate safety effectiveness of roadway countermeasures,based on generalized linear mixed models,assuming zeroinflated Poisson distribution for the response,and adjusting for spatial autocorrelation using the spatial random effect.The Bayesian approach,with Integrated Nested Laplace Approximation,was used to make inference on this model with computational efficiency.Results showed that incorporating a spatial random effect into the models provided better model fit than non-spatial models;hence,estimated safety effectiveness based on such models is more accurate.The proposed approach is a methodological advancement in traffic safety,which allows evaluation of safety effectiveness or roadway improvements when data are not readily available.

基于随机森林的导管架海洋平台结构模型修正方法

提出一种基于随机森林的有限元模型修正方法,能够快速、准确地给出导管架海洋平台结构模型的修正参数。选定平台不同的设计参数,对设计参数和基频进行Pearson相关性分析,得到与基频相关系数较大的参数,并重新设计试验参数获得基频。通过随机森林网络增加两者之间的非线性差异,验证网络精度及其泛化能力。结合实测数据,对比分析有限元模型的修正的效果。结果表明:模型的回归分数可达0.998,修正后的有限元模型可更准确地反映真实平台的动力特性。

外部随机激励干扰下掘进机振动信号多传感采集方法

掘进机运行过程中,在外部随机激励源的作用下,造成多传感器模式下的传感敏感性波动,结合振动信号不稳定,会导致采集的振动信号大幅度失真。为保证掘进机的稳定运行,提出多传感器模式下的随机激励振动信号采集方法。将掘进机看作多自由度系统,建立设备动力学模型;结合掘进机动力学特征,利用虚拟激励法构建符合外部源的随机激励函数;在建立的随机激励下,选择传感器类型和参数并安装多个传感器,设定采样频率;根据正弦稳态校准方法需求,设计校准传感器采集系统,提高传感器敏感性;在随机激励函数约束下预测传感器输出延时,计算每次测量的同步误差和误差补偿值,通过补偿确保多传感器实现振动信号的同步动态采集。实验结果表明:在多传感模式下,这种方法降低了外部的随机迟滞干扰,在随机激励作用下采集到的掘进机多传感振动信号波形与实际波形相符。

基于载荷谱的电池包疲劳试验与计算方法

电池包作为电动汽车的核心部件之一,对电动汽车的整车性能有着关键性的影响。而在电动汽车的运行过程中,电池包会不断受到来自路面的持续性冲击力,造成电池包的疲劳损坏,对驾驶员和乘客的安全以及整车性能造成一定的影响。本文以电动汽车电池包为研究对象,建立了电池包随机振动试验方法与疲劳寿命的计算方法。先对振动台、工装夹具和电池包进行扫频分析,得到振动台台面、夹具空载端板、电池包与工装夹具连接端板处的加速度传感器的测量数值与输入扫频加速度值保持一致,验证振动信号的有效传递,确保输入的振动信号能够准确传递至电池包,然后开展电池包随机振动试验。并对电池包进行了电芯性能检测、气密性检查、绝缘电阻检查和共振频率检查,得出电池包的损伤部位。研究了电池包疲劳损伤计算方法,对电池箱、电池模组和电池包内各连接方式进行了精细化建模。基于精细化模型,进行了电池包频响特性的计算。基于计算得到的频响特性和实车路谱采集试验得到电池包随机振动载荷谱曲线,采用Goodman疲劳寿命估算方法和Miner线性累积损伤法则,并结合电池包材料S-N曲线,对电池包进行了随机振动疲劳损伤分析。试验得到的电池包结构损伤部位与分析得到的失效部位具有较好的一致性,证实了本文提出的疲劳损伤计算方法的准确性。

波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的统计线性化方法及其在振动控制中的应用

针对海上浮式风机既有分析方法难以高效率地预测其随机动力响应这一问题,提出了一种基于统计线性化算法的波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的随机响应快速计算方法,并对其在浮式风机振动控制中的应用进行了研究。以Spar型海上浮式风机为对象,基于拉格朗日方程建立了其4-DOF的波浪耦合作用下的非线性模型,并验证了所建模型的准确性。在所建立的非线性模型基础上,提出了基于统计线性化算法的Spar型浮式风机随机振动分析方法,并从多方面对该方法进行了验证,结果表明该方法能将计算效率提升4,5个数量级,且具有足够精度。将该方法应用于浮式风机振动控制中,高效率地实现受TMD控制下的风机的控制参数优化和性能分析,得到了TMD的最优控制参数,发现TMD对浮式风机的振动控制效果有随海况等级的提高逐步降低的趋势。所提出方法兼具高精度、高效率和在不同海况下的普适性,同时也为海上浮式风机的设计优化、疲劳分析、可靠性验算等基于统计特性的研究提供了一种高效的分析方法。

基于随机行走模型的人致振动舒适度研究

为研究人群密度对人行桥结构的振动影响,首先,建立了双向随机行走模型,推导了随机荷载作用下结构振动响应解析解;然后,对比分析了人群密度对结构振动响应的影响规律;最后,通过研究行人实感时程与总时程之间的相关关系,定义了舒适度放大系数,以荆州市某人行天桥为例,进行振动舒适度评价,验证了双向随机行走模型及舒适度放大系数的适用性。结果表明:人行桥结构加速度响应随人群密度增大呈现出先增大后减小的规律;行人实感时程与总时程具有显著的相关性,根据舒适度放大系数可建立对应关系;舒适度放大系数随着振动响应峰值的增大而减小,随着人群密度的增大而增大;该类结果对人行桥振动舒适度定量计算具有参考借鉴意义。

RC框架结构基本自振周期个体间不确定性量化

钢筋混凝土(RC)框架结构是城市区域地震风险评估重要对象,其基本自振周期存在明显个体间变异性,如相同高度周期不同。通常采用的确定性结构高度-周期经验公式主要面向新结构设计,未能考虑既有RC建筑物周期的个体间变异性,影响区域地震风险评估的准确性,因此需要合理量化。该研究通过大量文献检索,收集了不同地区的641栋RC框架结构实测长轴、短轴方向基本周期以及高度、结构形式等信息,开展了严格的数据库清洗,并采用物理准则-数据驱动相结合的方式,建立了高度相依基本周期随机函数模型描述个体间变异性。与经典统计回归基本周期随机模型相比,新模型可以更好地反映结构间基本周期的物理机制差异以及观测数据的联合概率特性,便于在区域地震风险评估中应用。

基于高斯混合模型的物流非高斯随机振动损伤分析

针对公路运输环境中的振动信号具有明显的非高斯性,提出一种非高斯随机振动疲劳损伤分析方法。为了描述振动信号的幅值概率密度分布,采用移动加速度均方根来代表该段信号的振动强度,并引入高斯混合模型对加速度均方根值进行描述。在此基础上结合Tovo-Benasciutti方法和Dirlik方法推导出非高斯宽带频域疲劳损伤计算方法。最后,以雨流计数法作为参考,对不同峭度的实测振动信号进行疲劳损伤分析,结果表明,与传统频域疲劳损伤计算方法相比较,提出的非高斯疲劳损伤方法具有更高的计算精度。该研究对于运输包装件的随机振动加速试验设计有实际意义。

基于Seed-PCG法的列车-轨道-地基土三维随机振动GPU并行计算方法

为了解决列车-轨道-地基土三维有限元模型随机多样本计算效率低的问题,本文提出了一种基于Seed-PCG法的高效并行计算方法。基于有限元法和虚拟激励法建立轨道不平顺激励下的三维列车-轨道-地基土耦合随机振动分析模型;针对车致地基土随机振动分析产生的多右端项线性方程组求解问题,采用Seed-PCG方法进行求解。通过PCG方法求解种子系统得到的Krylov子空间进行投影,以改进其余线性方程组的初始解和对应的初始残量,有效提高了PCG法的收敛速度,最后,在MATLABCUDA混合平台上开发了并行计算程序。数值算例表明:相同计算平台下的该方法相比多点同步算法获得了104.2倍的加速;相比PCG法逐个求解方案减少了18%的迭代次数,获得了1.21倍的加速。

基于频率响应分析的BCM支架随机振动疲劳寿命预测

针对某车型车身控制模块(BCM)支架的振动开裂问题,建立BCM支架有限元模型进行随机振动疲劳分析。分析结果与随机振动试验开裂位置吻合,验证了BCM支架随机振动分析的有效性。最后,对BCM支架进行了优化,效果良好。

考虑塔梁影响的斜拉索随机激励参数振动分析

为了揭示随机激励下斜拉索参数振动特性,考虑塔、梁协同振动的影响,建立了高斯白噪声激励下斜拉索-桥塔-桥面梁耦合振动微分方程,推导了耦合体系的伊藤状态方程组,采用Milstein-Platen法构造了斜拉索振动时程求解迭代格式,研究了斜拉索振动的时程、统计和频域特性,分析了桥塔侧向扶正作用、激励强度和索塔梁初始位移对拉索振幅产生的影响.结果表明:随机激励下斜拉索振动呈现出双“拍”振现象,“拍”幅值和周期具有随机性;拉索随机位移均值、均方差在振动初期具有长时间的非平稳特性;拉索响应幅值对应的频率和拉索功率峰值对应的频率基本一致,但随机激励下的拉索幅值和功率峰值更大;拉索振动概率密度曲线满足高斯分布和马尔科夫性质;桥塔侧向扶正作用越强,拉索振幅越小;激励强度越小,拉索振幅越小;各结构初始位移越大,拉索振幅越大,且对桥面梁初始位移越敏感.

单轴虚拟振动试验技术研究

目的 探索结合有限元和闭环随机振动控制方法搭建的随机振动虚拟试验系统是否可信,以及其限制条件,并明确下一步的工作方向。方法 搭建虚拟振动,并获得虚拟试验结果,并和实物试验结果进行比对。分别搭建随机振动控制仪模型和振动系统有限元模型,再组合成整个闭环随机振动虚拟试验系统。对振动台、夹具、产品进行有限元建模后,再根据模态试验结果对其修正。振动台、夹具、产品的有限元模型修改到位后,组合成振动系统有限元模型,振动系统有限元模型联合控制仪模型,构建闭环随机振动虚拟试验系统,并将虚拟试验结果和实物试验结果进行比对。结果 在400 Hz之前的低频段,虚拟试验结果和实物试验结果的一致性较好。结论 这种方法搭建的虚拟振动系统,在400 Hz前的低频段,可信度较好。

GMM模型下的非高斯激励频域损伤计算与试验验证

为了研究非高斯激励的频域计算方法,介绍了高斯混合模型(Gaussian Mixture Model,GMM),通过GMM模型将实测的非高斯激励转换成概率功率谱(Probabilistic Power Spectrum,PPSD),以此将非高斯激励引入频域。运用仿真和GMM-Dirlik模型获得对应的非高斯雨流分布,计算出试件的损伤;同时按照高斯假设,将激励直接转换成功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)进行损伤的计算。然后,对试件进行了台架试验,获得了试件的应力响应,通过雨流计数获得应力范围雨流分布,计算出试件的损伤。将试验结果与仿真结果进行对比后发现,GMM-Dirlik模型得出的结果与试验相对误差为10.8%,而高斯假设得到的结果与试验相对误差较大,为45.3%,进一步说明了用高斯假设评估非高斯激励损伤的危险性。最后,对比非高斯激励和高斯分布概率密度函数的区别,解释了实测应力雨流分布在中间应力等级处出现下凹的现象,以及非高斯激励相对于高斯激励损伤变大的原因。

装配式橡胶隔振器模型修正与静态特性研究

为探究装配式橡胶隔振器通用化、系列化、组合化设计的特点,促进同类型产品研发应用。采用有限元仿真与试验相结合的方法,开展某系列装配式橡胶隔振器静态特性研究。首先,采用静力分析的方法测算隔振环在装配过程中储存的能量,对装配式橡胶隔振器模型进行修正。然后,应用修正后的装配式橡胶隔振器模型进行静态特性分析。最后,将仿真结果与试验结果进行对比,验证方法的可行性。试验证明,3种型号装配式橡胶隔振器在额定载荷下的仿真和试验静变形误差分别为3.5%、18.4%、5.3%。与修正前相比,修正后仿真模型静刚度误差从35.4%降至15.1%。结果表明,隔振环的装配方向对装配式橡胶隔振器的形状与静态特性有较大的影响。同时,也验证研究方法具有较高的准确性和可行性,可为装配式橡胶隔振器技术应用提供理论指导。

阿尔茨海默病多病程自适应筛查模型的构建

人口老龄化导致更高的阿尔茨海默病患病率,造成沉重的家庭和社会负担。尽早发现是延缓和逆转病程的关键,但现有检测方法无法满足价格低廉、低侵入性、快速、可靠的筛查与检测需求。生理液体光谱技术已在医学检测方面显示出了潜力,但在阿尔茨海默痴呆症检测上所面临的挑战是血浆光谱中阿尔茨海默病相关特征信息难以提取以及多病程复杂分类的难题。本文从信息空间建立、特征挖掘以及筛查与检测体系构建的角度展开研究,建立模型特征波数驱动的阿尔茨海默病多病程自适应筛查与诊断体系。针对阿尔茨海默病早期、中期和晚期3个不同病程阶段,模型检测的灵敏度分别为90.0%、87.5%、100%;特异性分别为83.3%、93.7%、100%。实验结果表明,基于阿尔茨海默病多病程自适应筛查与诊断模型具有较好的检测灵敏度和特异性。

船舶推进轴系振动的不确定性分析

[目的]针对传统的船舶推进轴系确定性振动分析存在安全性与可靠性不足的问题,开展轴系在不确定性激励下的振动响应分析。[方法]采用基于非概率凸模型过程的非随机振动分析方法,以区间上下界的形式描述不确定性激励和振动响应,降低对大量激励样本数据的依赖。与相关文献的计算结果对比,验证所编求解二自由度系统响应边界程序的正确性,并基于在此,探究轴系的不确定振动问题。[结果]当轴系受到螺旋桨[-30 N,30 N]的横向激励力激励时,在轴承处产生了量级约为10-6m的位移响应,表明轴系受到某一区间的激励,则必会产生某一区间的响应。[结论]将基于非概率凸模型过程的非随机振动分析方法应用于船舶推进轴系不确定性振动分析领域,可求得轴系受到不确定性激励时的振动位移响应边界,并可在激励样本较少的情况下为提高轴系系统动态响应预测的稳健性提供有益参考。

基于PCA-LSTM的黏滑振动水平评估方法研究

石油钻井过程中,井下工具的黏滑振动会导致钻头发生周期性的黏滞和滑脱,容易引起钻头和钻具组合失效,造成井下事故。为此,基于井下测量技术的发展,采用长短期记忆(Long Short-term Memory,LSTM)神经网络智能算法建立黏滑振动水平评估模型,采用井下近钻头工程参数测量工具在钻头处采集7类高频井下工程参数,验证使用PCA-LSTM神经网络黏滑振动水平评估模型的准确性。研究结果表明,该评估模型均方根误差为0.026,较LSTM、PCA-BP、PCA-SVM评估模型分别下降了0.033、0.011和0.018,表明该模型抑制了过拟合造成的滞后效应,具有较高的精度,可有效评估钻头处黏滑振动水平。研究结果对指导钻井过程,及时调整地面参数,有效抑制黏滑振动,推动安全、快速、高效钻井具有重要作用。

随机振动疲劳寿命评估频域法模型适用性研究

为了研究频域法中的应力幅值概率密度函数(Probability Density Function,PDF)模型在随机振动疲劳寿命评估过程中的适用性,首先介绍常用的5种频域法模型,接着设置由不同谱宽系数、中心频率和功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)谱值组合的限带白噪声应力功率谱。在此基础上利用傅里叶逆变换得到对应的时域信号,并将频域法模型计算得到的应力幅值概率密度函数与模拟的时域信号经过雨流循环计数得到的结果进行对比,评估各种频域模型的适用性和精度。结果表明,在整个带宽范围内,ZhaoBaker模型和Dirlik模型都有较高的准确性和适用性,Weibull模型在模拟小谱宽系数(ε<0.15)的单峰谱和谱宽系数大于0.6的宽带PSD时拥有不错的精度;频域模型的精度误差都随中心频率和谱值的增加有不同程度的下降。

结构随机振动时域响应统计特征分析的多项式维数分解法

针对结构在随机激励作用下的动力响应统计特征分析问题,提出了结构平稳和非平稳随机振动时域响应分析的多项式维数分解PDD(polynomial dimensional decomposition)法,高效地实现了结构随机振动响应统计矩和概率密度的计算。首先,采用三角级数叠加法模拟随机激励,将其中的随机相位作为结构系统的随机输入,并将结构随机振动时域响应视为关于随机相位的函数。其次,将结构响应函数采用成员函数(Component function)进行维数分解,并对成员函数进行Fourier多项式展开,从而构造出结构响应预测的PDD展开模型。最后,为了解决构造PDD展开模型时面临的高维积分问题,采用降维积分方法降低积分维度,显著提高了计算效率。在数值算例中,进行了单自由度系统和20层框架结构的随机振动时域响应分析,并将本文方法的计算结果与Monte Carlo模拟结果进行对比,验证了建立方法的精确性和高效性。